En kort tid efter bärgningen började den arkeologiska utgrävningen av Vasa. Arkeologerna gick ombord och möttes av ett stycke orört 1600-tal. Under en kanonlavett låg skelettet efter en av Vasas besättningsmän fastklämt, fortfarande med håret kvar, skorna på, rester av kläder och mynt i en ficka. Bendelar från en ovanligt stor katt återfanns på trossdäck. Här hittade man också resterna av de sex segel som inte var satta när Vasa seglade. På övre batteridäck återfanns en kista, där en okänd båtsman lagt sin hatt överst i packningen. Bland hans ägodelar fanns också skor, handskar och en kam mot löss.
Utgrävningen skedde under tidspress eftersom skeppet skulle vara tömt innan vintern. Fynden beskrevs, spolades av och gavs nummer. Fyndplatsen fotograferades och tecknades av. När utgrävningarna av själva Vasa avslutades efter fem månader hade mer än 28 000 föremål tagits omhand.
I november 1961 flyttades Vasa från torrdockan till Wasavarvet, där stödkonstruktionen förbättrades och den konserveringen påbörjades.
Om vattendränkt trä får torka utan behandling kan det uppstå stora sprickor och träet kan krympa och träcellerna försvagas av bakterieangrepp. Det behövs därför något som kan ersätta vattnet i träcellerna. Vasas skrov var tillverkat av mer än 700 kubikmeter trä och vägde nästan 1500 ton i vått tillstånd, och det var därför nödvändigt att tänka i större skala än för allt annat som konserverats tidigare. Efter att ha undersökt flera tänkbara material valdes polyetylenglykol (PEG). Det enda sättet att behandla en så stor yta var att spreja PEG på skeppet. Sprejbehandlingen pågick i 17 år, från 1962 till 1979, följt av ytterligare nio års långsam lufttorkning.
De många tusentals föremålen från Vasa konserverades i ett nybyggt laboratorium på Beckholmen. Olika konserveringsmetoder tillämpades beroende på föremålens material. Ett mycket tidskrävande arbete var konserveringen av de sex originalsegel som fanns ombord på Vasa, som tog ett decennium att slutföra.
Vasas skrov var vid bärgningen i stort sett intakt men större delen av akterskeppet var raserat, liksom övre däck och galjonen i fören. Att pussla ihop alla tusentals lösa delar blev ett jobb för museets vetenskapsmän och timmermän. Det fanns inga ritningar eller samtida bilder från tiden för Vasas bygge, så man fick pröva sig fram. Från 1961 växte Vasa sakta fram till det kompletta skepp hon är idag. Vasa är original till 95 procent. De delar som är nytillverkade har fått behålla sin släta yta och skiljer sig från originalets mörka, skrovliga svartek.